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侧面碰撞防护中B柱设计概述
2021-06-18 17:48:10· 来源：上汽安全与CAE技术
事故统计数据显示，侧面碰撞是造成乘员严重伤害的主要事故形式之一。从设计角度来看，与正面碰撞有较大的吸能空间不同，侧面碰撞中可利用的空间极少，结构的抗变
事故统计数据显示，侧面碰撞是造成乘员严重伤害的主要事故形式之一。从设计角度来看，与正面碰撞有较大的吸能空间不同，侧面碰撞中可利用的空间极少，结构的抗变形能力成为侧面防护的设计重点。因此，侧面主要传力路径B柱的重要性得以凸显。
目前针对侧碰事故的评价工况主要有NCAP体系下的MDB/AE-MDB工况及IIHS/C-IASI体系下的MDB工况。各工况中壁障形式、冲击能量有所差异，但总体碰撞形式类似，均为模拟十字路口出现的垂直碰撞事故。该工况重点考察车辆的侧面结构尤其B柱刚度。
图1 NCAP/保险体系侧碰工况（来源SafetyCompanion-2020）
在热成型技术应用之前，车辆B柱一般采用高强度冷冲钢材料，并且为了满足开发要求，材料厚度一般都在1.8mm以上。这种设计一方面会带来较大的车身重量，另一方面大厚度高强钢的冷冲压成型工艺困难，成型过程中容易产生一系列问题。
图2 冷冲压B柱系统示意图
随着热成型技术的成熟，热成型钢在汽车中开始被广泛应用。
热成型B柱的应用对于NCAP及保险指数中侧碰工况的性能改善效果明显，它可以极大提升车辆侧面刚度，减小乘员舱变形，从而保护乘员安全。同时它也克服了高强钢冷冲压成型中的回弹、开裂等诸多问题，且轻量化效果显著。目前整车中多以普通等厚热成型的应用为主。
热成型B柱的广泛应用带来性能提升的同时，也带来新的问题。一方面，热成型整体强度较大，理想的变形模式不易实现。在日益严苛的侧碰工况中，靠增加加强板控制变形模式并不容易，且性价比不高。另一方面，热成型材料延伸率急剧下降，在大变形区域很容易出现焊点处脆化发生裂纹导致结构失效的问题。这些问题在难度不断升级的侧碰工况中（如60AE-MDB、下一代IIHS MDB等）变得愈发常见及突出。
图3 热成型B柱失效 图4 IIHS MDB(2022)工况（来源SafetyCompanion-2020）
针对以上问题，目前也出现了一些新的解决方案，比如补丁板（B柱外板与补丁板预点焊，然后一体成型），差厚板，激光拼焊板，硬度分区的热成型(软区设计)等，目的是通过材料厚度或强度的差异化设计，使B柱下方更容易变形吸能，上方则仍保持足够的刚度，以控制B柱整体达到较理想的变形模式。
对于焊点热影响区开裂引起的失效问题，软区设计被认为是一种可行的解决方案。其原理是通过一定工艺，将大变形区域或局部区域材料处理成强度相对较低的水平，以增加该区域材料的延伸率，提升焊接性能，降低由焊点引发的失效风险。目前在应用的主要包括B柱下部整体软化的大软区方案及B柱焊接边局部软化的小软区方案。
图6 BMW 7系碳纤维复材B柱加强板（来源EuroCarBody 2015）
除了传统的金属材料，增强型复合材料的身影也渐渐出现在车辆重要传力结构中，如碳纤维复合材料B柱加强板等。不难想象，随着材料技术的不断发展和轻量化需求的进一步深化，越来越多的轻量化新材料将在车身结构中得以应用，伴随而来的可能是一些新的问题及新的解决方案。
变化时刻在发生，但一成不变的是汽车安全人守护乘员生命安全的初心。
目前针对侧碰事故的评价工况主要有NCAP体系下的MDB/AE-MDB工况及IIHS/C-IASI体系下的MDB工况。各工况中壁障形式、冲击能量有所差异，但总体碰撞形式类似，均为模拟十字路口出现的垂直碰撞事故。该工况重点考察车辆的侧面结构尤其B柱刚度。
图1 NCAP/保险体系侧碰工况（来源SafetyCompanion-2020）
在热成型技术应用之前，车辆B柱一般采用高强度冷冲钢材料，并且为了满足开发要求，材料厚度一般都在1.8mm以上。这种设计一方面会带来较大的车身重量，另一方面大厚度高强钢的冷冲压成型工艺困难，成型过程中容易产生一系列问题。
图2 冷冲压B柱系统示意图随着热成型技术的成熟，热成型钢在汽车中开始被广泛应用。
热成型B柱的应用对于NCAP及保险指数中侧碰工况的性能改善效果明显，它可以极大提升车辆侧面刚度，减小乘员舱变形，从而保护乘员安全。同时它也克服了高强钢冷冲压成型中的回弹、开裂等诸多问题，且轻量化效果显著。目前整车中多以普通等厚热成型的应用为主。
热成型B柱的广泛应用带来性能提升的同时，也带来新的问题。一方面，热成型整体强度较大，理想的变形模式不易实现。在日益严苛的侧碰工况中，靠增加加强板控制变形模式并不容易，且性价比不高。另一方面，热成型材料延伸率急剧下降，在大变形区域很容易出现焊点处脆化发生裂纹导致结构失效的问题。这些问题在难度不断升级的侧碰工况中（如60AE-MDB、下一代IIHS MDB等）变得愈发常见及突出。
图3 热成型B柱失效 图4 IIHS MDB(2022)工况（来源SafetyCompanion-2020）
针对以上问题，目前也出现了一些新的解决方案，比如补丁板（B柱外板与补丁板预点焊，然后一体成型），差厚板，激光拼焊板，硬度分区的热成型(软区设计)等，目的是通过材料厚度或强度的差异化设计，使B柱下方更容易变形吸能，上方则仍保持足够的刚度，以控制B柱整体达到较理想的变形模式。
对于焊点热影响区开裂引起的失效问题，软区设计被认为是一种可行的解决方案。其原理是通过一定工艺，将大变形区域或局部区域材料处理成强度相对较低的水平，以增加该区域材料的延伸率，提升焊接性能，降低由焊点引发的失效风险。目前在应用的主要包括B柱下部整体软化的大软区方案及B柱焊接边局部软化的小软区方案。图6 BMW 7系碳纤维复材B柱加强板（来源EuroCarBody 2015）
除了传统的金属材料，增强型复合材料的身影也渐渐出现在车辆重要传力结构中，如碳纤维复合材料B柱加强板等。不难想象，随着材料技术的不断发展和轻量化需求的进一步深化，越来越多的轻量化新材料将在车身结构中得以应用，伴随而来的可能是一些新的问题及新的解决方案。
变化时刻在发生，但一成不变的是汽车安全人守护乘员生命安全的初心。
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